电子设备性能不断提高,功率消耗与产生的热量也随之加大。
热量有效散失对于维持设备性能至关重要。
电子元件与散热器接触时,实际接触面积仅为宏观接触面积的约10%,因为空气填充了大部分间隙。
空气作为热的不良导体,其导热系数仅0.026W/(m·K),阻碍了界面间传热,导致芯片与散热器间热阻增加,系统散热效率降低,进而影响芯片使用寿命。
热传递示意图展示了使用热界面材料(TIMs)的重要性。
图①中,来自黑色表面的热量仅能在红色高亮点传导至灰色散热器。
图②中,深蓝色代表热界面材料,大部分浅蓝色气袋已被消除,由更具传导性的热界面材料替代。
热界面材料能填充两个表面之间的空隙,增加有效接触面积,配合其高导热率,有效解决材料接触界面热传导不畅的问题。
多数情况下,完全消除空气几乎不可能,但仍能显著改善热性能。
热界面材料(TIM)对于任何高效热管理系统至关重要,广泛用于消费和工业电子系统中,确保高效散热并防止局部温度过载。
TIM按位置可分为TIM1和TIM2,前者是芯片与封装外壳之间的热界面材料,后者是封装外壳与热沉之间的热界面材料。
TIM1要求低热阻和高热导率,CTE与硅片匹配;TIM2要求相对较低。
聚合物(树脂材料:硅胶、环氧树脂、聚氨酯、丙烯酸)导热系数约为0.1W/(m·K),通过使用油脂代替空气,热阻可降低约五倍。
目前几乎所有的热界面材料都填充有导热填料颗粒,如金属类填料(尤其是银)、无机颗粒填料(氧化铝、氧化镁、氧化硅、氮化铝、氮化硼和金刚石粉末等)。
这显著提高了聚合物的导热系数,同时保留其柔韧性、低成本以及易于加工成型的优点,热导率可提高至7W/(m·K)范围。
“TC-BGI系列”散热硅橡胶片热界面材料由信越化学提供,具有7W/(m·K)的高导热率,0.3mm厚的片材保证5kV的耐压。
该材料含有高比例的导热填料,采用高热导率的氮化硼化合物作为填料,并应用玻璃布增强,具有优异的撕裂强度。
常见热界面材料产品包括导热膏/导热脂、导热垫片、导热凝胶、导热相变材料、导热胶带及导热灌封胶等。
这些材料根据不同应用设计及生产工艺需求,以不同形态出现,具有各自特点。
导热膏/导热脂呈液态或膏状,流动性好,能降低异质表面间的热阻,主要以硅酮或烃油等高分子材料为基体,填充各类导热材料,如AlN、ZnO、BN、Al2O3、SiC、银、石墨、铝粉及金刚石粉末等。
使用简单,成本较低,但易溢出污染,对使用者亲和力差,多次循环后基体材料易分离。
导热垫片通常以硅橡胶为高分子聚合物基体,添加高导热性填料合成,用于填充发热元器件和散热片或金属底座之间的空隙,完成热传递,同时具有减震、绝缘、密封作用。
导热垫片单侧或两侧具有天然粘性,基体以有机硅聚合物为主,高温下介电性能稳定、耐氧化、绝缘性好,填料如AlN、BN、ZnO、Al2O3等,填充量及配比影响热导率。
绝缘性要求不高时,可添加非缘缘性填料,获得更高热导率。
导热凝胶兼具导热垫片和导热膏的优点,使用时为膏状,流动性好,能填补不平整表面间的间隙,可逐渐硫化,热阻相对较低,适应接触面不规则形状,无溢出风险,稳定状态,使用寿命可达10年,而导热脂一年后通常需要重新涂覆。
导热相变材料通过相变过程吸收或释放热量,额外增加热耗散路径,缓解元器件工作温度,延长使用寿命。
相变材料可选自无硅石蜡的蜡材料或丙烯酸为基础,分为有机相变材料和无机相变材料两大类。
导热胶带用作散热元器件的贴合材料,提供高导热性、绝缘、固定功能,具有柔软、服帖、强黏特性,适用于接触面不规则形状,稳固性好,不易移动。
填充导热颗粒有限,热导率较低,适用于小功率元器件。
导热灌封胶在封装操作中起到防尘、防潮、防震作用,延长电子元器件使用寿命。
双组分胶完全固化后,具有流动性的胶液固化为固体,实现其使用价值,热导率可达0.6~2.0W/(m·K)至4.0W/(m·K)。
导热凝胶是什么?
1、导热硅胶片导热率虽然高,但导热效果不一定能满足该需求,因为导热系数越高热阻也就越大;2、厚度,如果厚度低于正常范围值便没办法保证正常施工,而厚度又严重影响其导热效果;3、硬度高,界面空隙有可能残留空气,令导热效果大打折扣。
兆科导热材料生产厂推出了多种导热系数的导热凝胶,导热系数也可达到6.0W/mK。
相比固态导热材料下,导热凝胶有几项无法替代的特性:1、界面薄,传热距离短,效率高2、呈膏状、热阻低、一般是固态导热材料的几十分之一,虽然导热系数会低一些但导热效果很惊人;3、缝隙填充性好,轻压下即可自动填充间隙,排出空气,加大有效接触面积;可自动化点胶系统操作,方便快捷效率高。
所以通过以上总结,再相比之下,导热凝胶会更适合5G通讯散热。
导热凝胶和导热硅脂有什么区别,分别是起什么作用?
导热硅脂使用导热性和绝缘性良好的金属氧化物与有机硅氧烷复合而成,具有极佳的导热性,良好的电绝缘性,较宽的使用温度(工作温度 -60℃ ~ 300℃)等优点,和导热凝胶相比,只是适用范围不同,CPU/GPU 通讯、网络设备及微电子,笔记本、台式机,工控机及服务器等都使用导热硅脂进行导热散热。
导热凝胶与导热硅脂的区别还有很多,比如热阻、密度、电阻率等,种种数据表明,导热凝胶不同于导热硅脂,两者各有其用武之地,客户可根据自身产品特点及产品结构需求,选择使用导热凝胶或导热硅脂。